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| Abstract No.: |
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Scheduled at:
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Monday, September 19, 2016, Richard-Wagner-Saal 11:00 AM
Simulationsmodelle in der Lasertechnik
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Numerisches Berechnungsmodell zur Vorhersage von Schutzzeiten passiver metallischer Laserschutzwände
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| Authors: |
Michael Kick* / Institut für Wekzeugmaschinen und Betriebswissenschaften - TU München, Deutschland
Florian P. Lugauer / Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München, Deutschland
Michael F. Zäh/ Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München, Deutschland
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| Abstract: |
Der vermehrte Einsatz von hochbrillanten Laserstrahlquellen mit hohen Ausgangsleistungen in der industriellen Laser-Materialbearbeitung stellt steigende Anforderungen an die Lasersicherheitstechnik; die Sicherheitstechnik soll Mensch und Umwelt vor unvorhergesehener Strahlung schützen. Konventionell wird diese Schutzwirkung über passive Laserschutzwände aus metallischen Werkstoffen oder Beton realisiert; Tore und Schleusen sind bisher nur über Metalle darstellbar. Vereinzelt werden auch dezentrale aktive Schutzwandsysteme eingesetzt, welche aus der Kombination einer passiven Laserschutzwand mit aktiven Sensorelementen bestehen. Die Sensoren detektieren im Fehlerfall die einfallende Laserstrahlung und das System stoppt die Emission über einen Eingriff im Sicherheitskreis. Für den Zeitraum zwischen der Detektion und der Abschaltung muss die passive Schutzwand Sicherheit vor Laserstrahlung gewährleisten. Die Auslegung dieser passiven Schutzwandsysteme erfolgt bisher durch iteratives Vorgehen mittels Beschussversuche. Die gewonnenen Ergebnisse unterliegen jedoch materialabhängigen statistischen Schwankungen. Untersuchungen bei Aluminiumwerkstoffen haben gezeigt, dass für die Ermittlung einer zuverlässigen Standzeit in der Regel mehr Versuche erforderlich sind, als durch die Norm vorgeschrieben. Da sich die Schutzzeiten je nach Aluminiumlegierung unterscheiden, sind für jede eingesetzte Legierung Versuche erforderlich. Aus diesem Grund wird am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München ein numerisches Berechnungsmodell entwickelt, welches eine Vorhersage von Schutzzeiten ermöglichen soll. Bisher existierte ein stark vereinfachtes Berechnungsmodell, welches jetzt weiterentwickelt wurde. Das existierende Modell legt dabei einen kreisförmigen Brennfleck zugrunde und vernachlässigt die Wärmeleitung in Strahlausbreitungsrichtung. Mit der Weiterentwicklung dieses Modells werden zum einen die oben genannten Einschränkungen hinsichtlich der Strahlform abgebaut und die Wärmeleitung in Strahlausbreitungsrichtung berücksichtigt. Zum anderen wird die Untersuchung des Schutzzeitverhaltens bei schräger Lasereinstrahlung oder nicht kreisförmigen Laserstrahlformen darstellbar. Durch die explizite Modellierung des Aufschmelzvorgangs des Metalls mit Hilfe eines laminaren Zweiphasenmodells soll einerseits das Aufschmelzen exakt abgebildet werden und andererseits ein Prozessverständnis hinsichtlich des Versagens der Schutzwand in zeitlicher Auflösung ermöglicht werden. Dieses Simulationsmodell ermöglicht letztlich eine schnellere und wirtschaftlichere Prüfung und Dimensionierung von metallischen Laserschutzwänden.
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